JP2015025671A - State calculation device, mobile body, state calculation method and state calculation program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、船舶等の移動体における姿勢角、速度、位置等の移動状態を算出する状態算出装置に関するものである。 The present invention relates to a state calculation device that calculates a movement state such as a posture angle, a speed, and a position in a moving body such as a ship.
従来、移動体の航行状態(移動状態)を算出する装置が各種考案されている。例えば、特許文献1に記載の姿勢算出装置は、船舶に装着されている。姿勢算出装置は、船舶上の異なる位置に配置された複数のアンテナの位置情報を用いて、船舶の姿勢角を算出している。
Conventionally, various devices for calculating a navigation state (movement state) of a moving body have been devised. For example, the attitude calculation device described in
特許文献1に記載の姿勢算出装置では、アンテナ間を結ぶ基線ベクトルの大きさおよび方向が異なるように、複数のアンテナが配置されている。特許文献1に記載の姿勢算出装置は、測位信号を受信している複数のアンテナ、すなわち測位を行うことができる複数のアンテナにおいて、最も基線長が長い二つのアンテナを選択する。特許文献1に記載の姿勢算出装置は、選択した二つのアンテナの測位位置から姿勢角を算出している。
In the attitude calculation device described in
上述のように、従来の姿勢算出装置は、できる限り基線長が長い二つのアンテナを用いて姿勢角を算出するため、移動体に対する姿勢算出装置の配置規模が大きくなってしまう。これは、姿勢角の算出精度を向上させるためであり、一般的に、基線長が短くなると、姿勢角の算出精度が低下することが分かっている。 As described above, the conventional posture calculation device calculates the posture angle using the two antennas having the longest base line length as much as possible, so that the arrangement scale of the posture calculation device with respect to the moving body becomes large. This is to improve the calculation accuracy of the posture angle, and it is generally known that the calculation accuracy of the posture angle decreases as the baseline length decreases.
しかしながら、移動体に対する姿勢算出装置の配置規模に制限がある場合もあり、この場合は、姿勢角の算出精度を犠牲にしなければならない。 However, there are cases where the arrangement scale of the posture calculation device with respect to the moving body is limited, and in this case, the accuracy of calculating the posture angle must be sacrificed.
したがって、本発明の目的は、姿勢角を含む移動状態を高精度に算出することが可能な小型の状態算出装置を提供することにある。また、このような特徴を有する状態算出装置を実現可能な状態算出方法および状態算出プログラムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a small state calculation device capable of calculating a moving state including a posture angle with high accuracy. It is another object of the present invention to provide a state calculation method and a state calculation program capable of realizing a state calculation device having such characteristics.
この発明の状態算出装置は、複数のアンテナ、相関処理部、搬送波位相測定値算出部、基線ベクトル算出部、および姿勢角算出部を備える。複数のアンテナは、3つ以上であり、移動体上の異なる位置に配置されており、それぞれに測位信号を受信する。相関処理部は、測位信号と該測位信号のレプリカ信号との相関処理に基づき搬送波位相差をそれぞれのアンテナ毎に算出する。搬送波位相測定値算出部は、搬送波位相差の積算値である搬送波位相測定値を算出する。基線ベクトル算出部は、搬送波位相測定値に基づいて複数の基線ベクトルを算出する。姿勢角算出部は、基線ベクトル毎にヨー角を算出し、算出した複数のヨー角に基づいて代表ヨー角を決定する。 The state calculation device according to the present invention includes a plurality of antennas, a correlation processing unit, a carrier phase measurement value calculation unit, a baseline vector calculation unit, and an attitude angle calculation unit. The plurality of antennas are three or more, and are arranged at different positions on the moving body, and each receives a positioning signal. The correlation processing unit calculates a carrier phase difference for each antenna based on the correlation processing between the positioning signal and the replica signal of the positioning signal. The carrier phase measurement value calculation unit calculates a carrier phase measurement value that is an integrated value of the carrier phase difference. The baseline vector calculation unit calculates a plurality of baseline vectors based on the carrier phase measurement value. The attitude angle calculation unit calculates a yaw angle for each baseline vector, and determines a representative yaw angle based on the plurality of calculated yaw angles.
この構成では、複数の基線ベクトルによって代表ヨー角が算出されるので、当該代表ヨー角を高精度に算出することができる。したがって、当該代表ヨー角を含む姿勢角を高精度に算出することができる。 In this configuration, since the representative yaw angle is calculated from a plurality of baseline vectors, the representative yaw angle can be calculated with high accuracy. Therefore, the posture angle including the representative yaw angle can be calculated with high accuracy.
また、この発明の状態算出装置の姿勢角算出部は、基線ベクトル毎に代表ピッチ角および代表ロール角からヨー角を算出する。 In addition, the posture angle calculation unit of the state calculation device according to the present invention calculates the yaw angle from the representative pitch angle and the representative roll angle for each baseline vector.
この構成では、基線ベクトルを用いたヨー角の具体的な算出方法を示している。 In this configuration, a specific yaw angle calculation method using a baseline vector is shown.
また、この発明の状態算出装置の姿勢角算出部は、基線ベクトル毎に代表ピッチ角からロール角を算出し、算出した複数のロール角から代表ロール角を算出する。 In addition, the posture angle calculation unit of the state calculation device of the present invention calculates a roll angle from the representative pitch angle for each baseline vector, and calculates a representative roll angle from the calculated plurality of roll angles.
この構成では、ヨー角の算出に利用する代表ロール角の具体的な算出方法を示している。 This configuration shows a specific method for calculating the representative roll angle used for calculating the yaw angle.
また、この発明の状態算出装置の姿勢角算出部は、複数の基線ベクトルのうちの2つずつを組として、組毎にピッチ角を算出し、算出した複数のピッチ角から代表ピッチ角を算出する。 In addition, the posture angle calculation unit of the state calculation device according to the present invention calculates a pitch angle for each set by setting two of the plurality of baseline vectors as a set, and calculates a representative pitch angle from the calculated plurality of pitch angles. To do.
この構成では、ヨー角およびロール角の算出に利用する代表ピッチ角の具体的な算出方法を示している。また、これらの具体的な算出方法を組み合わせることにより、測位信号の搬送波位相測定値に基づいて姿勢角を高精度に算出することができる。 This configuration shows a specific method for calculating the representative pitch angle used for calculating the yaw angle and roll angle. Further, by combining these specific calculation methods, the attitude angle can be calculated with high accuracy based on the carrier phase measurement value of the positioning signal.
また、この発明の状態算出装置では、複数の基線ベクトルの少なくとも1つが移動体のヘディング方向に平行になるように3つ以上のアンテナが配置されている。 In the state calculation apparatus of the present invention, three or more antennas are arranged so that at least one of the plurality of baseline vectors is parallel to the heading direction of the moving body.
この構成では、ヨー角を簡素且つ高速に算出することができる。 With this configuration, the yaw angle can be calculated simply and at high speed.
また、この発明の状態算出装置は、姿勢角とともに、複数の測位信号に対する相関処理の結果を用いて、移動体の特定位置の座標を算出する位置算出部をさらに備える。この際、位置算出部は、特定位置の座標算出時に姿勢角による補正を行う。 In addition, the state calculation device of the present invention further includes a position calculation unit that calculates the coordinates of the specific position of the moving body using the result of correlation processing for a plurality of positioning signals together with the posture angle. At this time, the position calculation unit performs correction based on the posture angle when calculating the coordinates of the specific position.
また、この発明の状態算出装置は、複数の測位信号に対する相関処理の結果を用いて、移動体の特定位置の速度を算出する速度算出部をさらに備える。この際、速度算出部は、特定位置の速度算出時に、姿勢角による補正を行う。 In addition, the state calculation apparatus of the present invention further includes a speed calculation unit that calculates the speed of the specific position of the moving body using the results of the correlation processing for the plurality of positioning signals. At this time, the speed calculation unit performs correction based on the posture angle when calculating the speed of the specific position.
これらの構成では、上述のように高精度に算出された姿勢角を用いているので、位置座標および速度を高精度に算出することができる。 In these configurations, since the attitude angle calculated with high accuracy as described above is used, the position coordinates and the velocity can be calculated with high accuracy.
この発明によれば、航行状態を高精度に算出することが可能な状態算出装置を小型に実現することができる。 According to the present invention, a state calculation device capable of calculating a navigation state with high accuracy can be realized in a small size.
本発明の第1の実施形態に係る状態算出装置について、図を参照して説明する。本実施形態では、移動体を船舶として当該船舶の航行状態を算出する装置を説明するが、その他の海上海中移動体、自動車等の陸上移動体、飛行機等の空中移動体の移動状態を算出する場合についても、以下の構成を適用することができる。 A state calculation apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an apparatus for calculating the navigation state of the ship as a moving body will be described. However, the moving state of other mobile bodies in Shanghai, land mobile bodies such as automobiles, and air mobile bodies such as airplanes is calculated. Also in this case, the following configuration can be applied.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る状態算出装置の構成を示すブロック図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係る航行状態の算出原理を説明するための図である。図2には、船舶900に対するアンテナ装置100の設置態様、およびBODY座標系(船体座標系)とNED座標系(地球座標系)との関係を記載している。図3は、アンテナ装置の各アンテナの配置および基線ベクトルの関係を示す図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a state calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining the calculation principle of the navigation state according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows the installation mode of the
図1に示すように、状態算出装置10は、アンテナ装置100、相関処理部111A,111B,111C,111D、ADR算出部112A,112B,112C,112D、演算部12を備える。
As illustrated in FIG. 1, the
アンテナ装置100は、図2に示すように、船舶900上の見通しの良いところ、すなわち、測位衛星からの測位信号に対する受信環境が良いところに設置されている。例えば、図2に示すように、アンテナ装置100は、船舶900の甲板に設置されたポールの先端に設置されている。
As shown in FIG. 2, the
アンテナ装置100は、アンテナ100A,100B,100C,100Dを備える。アンテナ100A,100B,100C,100Dは、図3に示すように、アンテナ装置100の筐体内において、同一平面上に配置されている。この際、アンテナ100Aの中心位置A、アンテナ100Bの中心位置B、アンテナ100Cの中心位置C、および、アンテナ100Dの中心位置Dが四つの角となる正方形が形成されるように、アンテナ100A,100B,100C,100Dは配置されている。なお、以下では、このアンテナ100A,100B,100C,100Dの配置位置で形成される正方形の中心位置を、配置中心位置Oとする。なお、アンテナ装置100は、アンテナ100A,100B,100C,100Dが配置される平面と船舶900の水平面とが平行になるように、船舶900に配置されている。
The
アンテナ100A,100B,100C,100Dは、複数の測位衛星からの測位信号を受信して、それぞれ相関処理部111A,111B,111C,111Dに出力する。ここで、例えば、測位衛星はGPS(Global Positioning System)衛星であり、測位信号はGPS信号である。なお、GPSに限らず、GNSS(Grobal Navigation Satellite Systems)の測位衛星および測位信号を用いてもよい。
相関処理部111Aは、アンテナ100Aからの各測位信号とレプリカ信号とのキャリア相関処理結果から測位信号毎に搬送波位相差を出力する。ADR算出部112Aは、搬送波位相差を積算して、搬送波位相測定値ADRAを算出し、演算部12へ出力する。なお、相関処理部111Aは、アンテナ100Aからの各測位信号とレプリカ信号とのコード相関処理結果から擬似距離PRAを算出し、演算部12へ出力する。
相関処理部111Bは、アンテナ100Bからの各測位信号とレプリカ信号とのキャリア相関処理結果から測位信号毎に搬送波位相差を出力する。ADR算出部112Bは、搬送波位相差を積算して、搬送波位相測定値ADRBを算出し、演算部12へ出力する。なお、相関処理部111Bは、アンテナ100Bからの各測位信号とレプリカ信号とのコード相関処理結果から擬似距離PRBを算出し、演算部12へ出力する。
相関処理部111Cは、アンテナ100Cからの各測位信号とレプリカ信号とのキャリア相関処理結果から測位信号毎に搬送波位相差を出力する。ADR算出部112Cは、搬送波位相差を積算して、搬送波位相測定値ADRCを算出し、演算部12へ出力する。なお、相関処理部111Cは、アンテナ100Cからの各測位信号とレプリカ信号とのコード相関処理結果から擬似距離PRCを算出し、演算部12へ出力する。
The
相関処理部111Dは、アンテナ100Dからの各測位信号とレプリカ信号とのキャリア相関処理結果から測位信号毎に搬送波位相差を出力する。ADR算出部112Dは、搬送波位相差を積算して、搬送波位相測定値ADRDを算出し、演算部12へ出力する。なお、相関処理部111Dは、アンテナ100Dからの各測位信号とレプリカ信号とのコード相関処理結果から擬似距離PRDを算出し、演算部12へ出力する。
本実施形態の演算部12は、次に示すように、姿勢角を算出し、位置座標および速度の算出を省略しているので、相関処理部111A,111B,111C,111D、ADR算出部112A,112B,112C,112Dは、少なくとも搬送波位相測定値ADRA,ADRB,ADRC,ADRDを算出すればよい。
Since the
演算部12は、基線ベクトル算出部120と姿勢角算出部121を備える。
The
基線ベクトル算出部120は、搬送波位相測定値ADRA,ADRB,ADRC,ADRDを用いて、複数の基線ベクトルを算出する。基線ベクトルは、設置した複数のアンテナのうち、2つのアンテナを組み合わせて決定する。具体的には、本実施形態では、基線ベクトルAB,BC,CD,DA,BD,CAの六つの基線ベクトルを算出する。基線ベクトルの算出方法は、既知の方法であり、代表的な算出方法の一つとして、二つのアンテナと二つの測位衛星に対する二重位相差を算出して、整数値バイアスを決定し、当該整数値バイアスを用いて基線ベクトルを決定する方法がある。
Baseline
基線ベクトルABは、アンテナ100Aの中心位置Aを起点としアンテナ100Bの中心位置Bを終点とする。基線ベクトルBCは、アンテナ100Bの中心位置Bを起点としアンテナ100Cの中心位置Cを終点とする。基線ベクトルCDは、アンテナ100Cの中心位置Cを起点としアンテナ100Dの中心位置Dを終点とする。基線ベクトルDAは、アンテナ100Dの中心位置Dを起点としアンテナ100Aの中心位置Aを終点とする。基線ベクトルBDは、アンテナ100Bの中心位置Bを起点としアンテナ100Dの中心位置Dを終点とする。基線ベクトルCAは、アンテナ100Cの中心位置Cを起点としアンテナ100Aの中心位置Aを終点とする。
Base line vector AB has a center position A of
姿勢角算出部121は、複数の基線ベクトルを選択して、当該複数の基線ベクトルから姿勢角を算出する。演算部12で実行する詳細な姿勢角の算出方法は後述する。姿勢角は、ピッチ角θ(θh)、ロール角φ(φh)、およびヨー角ψ(ψh)の成分からなる。ピッチ角θ(θh)、ロール角φ(φh)、およびヨー角ψ(ψh)は、BODY座標系で表現される。BODY座標系は、図2に示すように、船舶900の船首方向に平行なb1軸、船舶900の右左舷方向に平行なb2軸、b1軸およびb2軸に垂直なb3軸から構成される。すなわち、b3軸は、船舶900が揺動していない状態において、鉛直方向に平行な軸である。このBODY座標系の中心Paは、船舶900の重心位置に設定されている。
The posture
ピッチ角θ(θh)は、b1軸およびb3軸で決定される平面の角度であり、鉛直方向への船首尾の移動を表す。ロール角φ(φh)は、b2軸およびb3軸で決定される平面の角度であり、右左舷の鉛直方向の移動を表す。ヨー角ψ(ψh)は、b1軸およびb2軸で決定される平面の角度であり、水平面上の船首方位の移動を表す。 The pitch angle θ (θ h ) is a plane angle determined by the b1 axis and the b3 axis, and represents the movement of the bow and tail in the vertical direction. The roll angle φ (φ h ) is a plane angle determined by the b2 axis and the b3 axis, and represents the movement of the starboard in the vertical direction. The yaw angle ψ (ψ h ) is a plane angle determined by the b1 axis and the b2 axis, and represents the movement of the heading on the horizontal plane.
姿勢角算出部121は、概略的には、これらピッチ角θ、ロール角φ、およびヨー角ψをそれぞれ複数個算出して、それぞれの代表値である代表ピッチ角θh、代表ロール角φh、および代表ヨー角ψhを、姿勢角[θh,φh,ψh]として出力する。
The posture
なお、この一連の処理は、図1に示すように機能ブロック毎に実行してもよいが、プログラム化しておき、コンピュータ等の情報処理装置で実行するようにしてもよい。 The series of processes may be executed for each functional block as shown in FIG. 1, but may be programmed and executed by an information processing apparatus such as a computer.
図4は、本実施形態の状態算出装置で実行する姿勢角算出の概略フローを示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing a schematic flow of posture angle calculation executed by the state calculation apparatus of the present embodiment.
上述のように、複数のアンテナ100A,100B,100C,100Dで測位信号を受信し、アンテナ100A,100B,100C,100D毎に、搬送波位相測定値ADRA,ADRB,ADRC,ADRDを算出する(S101)。 演算部12は、搬送波位相測定値ADRA,ADRB,ADRC,ADRDを用いて、複数の基線ベクトルAB,BC,CD,DA,BD,CAを算出する(S102)。
As described above, the positioning signals are received by the plurality of
演算部12は、複数の基線ベクトルを用いて複数のピッチ角θ、ロール角φ、およびヨー角ψを算出する。演算部12は、複数のピッチ角θ、ロール角φ、およびヨー角ψから各成分の代表値を決定して、姿勢角[θh,φh,ψh]として出力する(S103)。
The
次に、姿勢角[θh,φh,ψh]の具体的な算出方法について説明する。 Next, a specific method for calculating the posture angles [θ h , φ h , ψ h ] will be described.
(原理)
図2に示すBODY座標系からNED座標系への回転を、回転順にロール、ピッチ、ヨーと設定し、それぞれの角度を[φ,θ,ψ]とする。すなわち、ロール角φ、ピッチ角θ、ヨー角ψとする。
(principle)
The rotation from the BODY coordinate system to the NED coordinate system shown in FIG. 2 is set in the order of rotation as roll, pitch, and yaw, and the respective angles are [φ, θ, ψ]. That is, the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ are set.
ここで、アンテナ配置が上述のように、船舶900に対して水平である、すなわち、図2に示すb3軸に直交する平面上にあるとする。この時、BODY座標系での距離r、船首方向に対する角Δとして、一般化したアンテナ配置のベクトルxbを表すと、次式になる。
Here, it is assumed that the antenna arrangement is horizontal to the
そして、(式7)から分かるように、ピッチ角θと1つの基線ベクトルが分かれば、ロール角φを算出することができる。 As can be seen from (Equation 7), if the pitch angle θ and one baseline vector are known, the roll angle φ can be calculated.
さらに、(式4)のxN,xEに関する部分を用いると、次式が得られる。 Furthermore, the following equation can be obtained by using the portions related to x N and x E in (Equation 4).
以上のような原理を用いて、本実施形態の演算部12は、具体的に次のフローで姿勢角[θh,φh,ψh]を算出する。
Using the principle as described above, the
図5は、演算部で実行する姿勢角算出の具体的なフローを示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing a specific flow of posture angle calculation executed by the calculation unit.
演算部12は、上述の(式8)に示す演算方法を用いて、2つの基線ベクトルを用いてピッチ角θを算出する。より具体的には、算出できている2つの基線ベクトル、および、該2つの基線ベクトルが船首方向と成す角を、(式8)に代入することで、ピッチ角θが算出される。この際、演算部12は、選択する2つの基線ベクトルの組合せを異ならせて、基線ベクトルの組毎にピッチ角θを算出する(S131)。
The
演算部12は、複数のピッチ角θに対する代表ピッチ角θhを算出する(S132)。具体的には、例えば、演算部12は、複数のピッチ角θの平均値を算出して、代表ピッチ角θhとする。
The
演算部12は、上述の(式7)に示す演算方法を用いて、代表ピッチ角θhと1つの基線ベクトルを用いて、ロール角φを算出する。より具体的には、上述の処理で算出した代表ピッチ角θh、算出できている1つの基線ベクトル、および、当該基線ベクトルの成す角を(式7)に代入して、ロール角φを算出する。この際、演算部12は、代表ピッチ角θhに組み合わせる基線ベクトルを異ならせて、組合せ毎にロール角φを算出する(S133)。
The
演算部12は、複数のロール角φに対する代表ロール角φhを算出する(S134)。具体的には、例えば、演算部12は、複数のロール角φの平均値を算出して、代表ロール角φhとする。
The
演算部12は、上述の(式9)に示す演算方法を用いて、代表ピッチ角θhと代表ロール角φhと1つの基線ベクトルを用いて、ヨー角ψを算出する。より具体的には、上述の処理で算出した代表ピッチ角θhと代表ロール角φh、算出できている1つの基線ベクトル、および、当該基線ベクトルの成す角を、(式9)に代入して、ヨー角ψを算出する。この際、演算部12は、代表ピッチ角θhおよび代表ロール角φhに組み合わせる基線ベクトルを異ならせて、組合せ毎にヨー角ψを算出する(S135)。
The
演算部12は、複数のヨー角ψに対する代表ヨー角ψhを算出する(S136)。具体的には、例えば、演算部12は、複数のヨー角ψの平均値を算出して、代表ヨー角ψhとする。
The
演算部12は、代表ピッチ角θh,代表ロール角φh,代表ヨー角ψhを、姿勢角[θh,φh,ψh]に決定する(S137)。
The
このような方法を用いることで、姿勢角の各成分(ピッチ角、ロール角、ヨー角)を、算出できた基線ベクトルの個数に応じて、それぞれ複数個ずつ算出することができる。そして、このように複数個算出された各姿勢角成分の平均値等の代表値を用いることにより、各姿勢角成分に含まれる観測誤差が抑圧される。したがって、姿勢角を高精度に算出することができる。 By using such a method, it is possible to calculate a plurality of posture angle components (pitch angle, roll angle, yaw angle) according to the number of calculated baseline vectors. The observation error included in each posture angle component is suppressed by using a representative value such as the average value of each posture angle component thus calculated. Therefore, the attitude angle can be calculated with high accuracy.
また、同程度の精度が要求される場合には、従来の構成よりもアンテナ間隔を狭くすることができる。これにより、アンテナの配置領域を小さくでき、さらにはアンテナ装置を小型化できる。 In addition, when the same degree of accuracy is required, the antenna interval can be made narrower than the conventional configuration. Thereby, the antenna arrangement area can be reduced, and further, the antenna device can be miniaturized.
また、上述の説明では、代表値を単に平均値と記載したが、重み付けを行わない平均値であっても、重み付けを行った平均値であってもよい。重み付けを行う場合には、姿勢角を算出するのに利用する各基線ベクトルの方向と各姿勢角の方向との関係等によって、重みを決定すればよい。また、各アンテナ位置での測位精度に基づいて重み付けを行ってもよい。例えば、測位精度が高いアンテナを利用した基線ベクトルほど重みが重くなるように設定すればよい。また、上述の説明では、代表値として平均値を算出する例を示したが、中央値等の他の統計値を用いてもよい。 In the above description, the representative value is simply described as an average value, but may be an average value without weighting or an average value with weighting. When weighting is performed, the weight may be determined based on the relationship between the direction of each baseline vector and the direction of each posture angle used to calculate the posture angle. Further, weighting may be performed based on positioning accuracy at each antenna position. For example, the base line vector using an antenna with high positioning accuracy may be set so that the weight becomes heavier. In the above description, the average value is calculated as the representative value. However, other statistical values such as the median value may be used.
また、図3に示すように複数のアンテナを配置することで、姿勢角を全体として高精度に算出することができる。具体的には、図3に示すように、本実施形態の構成では、複数のアンテナ100A,100B,100C,100Dは、BODY座標のb3軸に直交する平面上に配置されており、配置中心位置Oから同距離に配置されている。また、アンテナ100A,100B,100C,100Dは、配置中心位置Oを基準点とし、それぞれに90°を成す回転対称位置にある。これにより、アンテナ100A,100B,100C,100Dは、b1方向、b2方向にも均等な配置パターンとなっている。すなわち、アンテナ100A,100B,100C,100Dは、等方性を有する配置となっている。
Further, by arranging a plurality of antennas as shown in FIG. 3, the attitude angle can be calculated with high accuracy as a whole. Specifically, as shown in FIG. 3, in the configuration of the present embodiment, the plurality of
このような配置パターンであることにより、船舶900が傾斜した場合生じる基線ベクトルの変化が、ピッチ角θおよびロール角φに対して同程度になる。したがって、ピッチ角θ、ロール角φを略同じ精度で算出することができる。これにより、ピッチ角θとロール角φについて等方性を持った精度で算出でき、これらを用いて算出されるヨー角は船体が動揺する方向に依らず同程度の精度で算出できる。この結果、方向によるバラツキが無く全体として高精度に、姿勢角を算出することができる。
With such an arrangement pattern, the change in the baseline vector that occurs when the
また、このようなアンテナ配置を用いることで、アンテナ装置の各アンテナと船首方向との角度がいずれの角度であっても、ピッチ角θおよびロール角φについて等方性を持った精度で算出することができる。これにより、アンテナ装置の船舶への設置方向を気にする必要が無いため、アンテナ装置の船舶への設置が容易になる。 Further, by using such an antenna arrangement, the pitch angle θ and the roll angle φ are calculated with isotropic accuracy regardless of the angle between each antenna of the antenna device and the bow direction. be able to. Thereby, since it is not necessary to care about the installation direction to the ship of an antenna apparatus, installation to the ship of an antenna apparatus becomes easy.
なお、ここでは、等方性を有する配置になっているが、略等方性であってもよい。すなわち、複数のアンテナの配置パターンが若干ずれていてもよい。この場合でも、等方性を有する場合と略同等の精度で姿勢角を算出することができる。 Here, the isotropic arrangement is used, but it may be substantially isotropic. That is, the arrangement pattern of the plurality of antennas may be slightly shifted. Even in this case, it is possible to calculate the posture angle with substantially the same accuracy as in the case of being isotropic.
また、アンテナ装置100は、アンテナ100Aの中心位置Aとアンテナ100Bの中心位置Bとを結ぶ基線ベクトル、および、アンテナ100Cの中心位置Cとアンテナ100Dの中心位置Dとを結ぶ基線ベクトルが、船舶900の船首方向(BODY座標系のb1軸方向(ヘディング方向))に平行になるように、船舶900に配置するとよい。このような配置とすることで、後述するように、姿勢角算出処理が容易になる。
In addition, the
また、この配置を用いることで、船首方向に平行な基線ベクトルの長さが短くなる。したがって、船首方向に平行な基線ベクトルを、高速且つ高精度に算出することができる。これにより、状況によって姿勢角をさらに高速に算出することができる。 Also, by using this arrangement, the length of the baseline vector parallel to the bow direction is shortened. Therefore, the baseline vector parallel to the bow direction can be calculated at high speed and with high accuracy. Thereby, the posture angle can be calculated at higher speed depending on the situation.
次に、上述のアンテナ配置で船首方向に平行な、ピッチ角θ、ロール角φ、ヨー角ψの算出は、複数のアンテナの配置、すなわち基線ベクトルの設定方法に応じて、より具体的に、次の各方法を用いてもよい。 Next, the calculation of the pitch angle θ, the roll angle φ, and the yaw angle ψ parallel to the bow direction with the antenna arrangement described above is more specifically according to the arrangement of a plurality of antennas, that is, the setting method of the baseline vector. The following methods may be used.
(ピッチ角θの算出方法)
図6は、ピッチ角θの算出フローを示すフローチャートである。
(Calculation method of pitch angle θ)
FIG. 6 is a flowchart showing a calculation flow of the pitch angle θ.
まず、基線ベクトルが1個以上確定しているかどうかを検出する。基線ベクトルが1つも確定していなければ(S311:NO)、ピッチ角θの算出は不能と判断する(S317)。 First, it is detected whether one or more baseline vectors are determined. If no baseline vector has been determined (S311: NO), it is determined that the pitch angle θ cannot be calculated (S317).
基線ベクトルが1個以上確定している場合は(S311:YES)、確定している基線ベクトルの個数Nを取得する。 When one or more baseline vectors are determined (S311: YES), the number N of determined baseline vectors is acquired.
基線ベクトルが1個の場合(S312:N=1)、当該基線ベクトルが船首方向すなわちb1軸方向と平行であるかを検出する。基線ベクトルが船首方向と平行でなければ(S313:NO)、ピッチ角θの算出は不能と判断する(S317)。一方、基線ベクトルが船首方向と平行であれば(S313:YES)、すなわち、図3のアンテナ配置の場合、確定している基線ベクトルが基線ベクトルAB,CDのいずれかであれば、この基線ベクトルを用いて、ピッチ角θを算出する(S314)。この場合は、Δ1またはΔ2が0°,180°として、上述の(式8)からピッチ角θを算出することができる。 When there is one baseline vector (S312: N = 1), it is detected whether the baseline vector is parallel to the bow direction, that is, the b1 axis direction. If the baseline vector is not parallel to the bow direction (S313: NO), it is determined that the pitch angle θ cannot be calculated (S317). On the other hand, if the baseline vector is parallel to the bow direction (S313: YES), that is, in the case of the antenna arrangement of FIG. 3, if the established baseline vector is one of the baseline vectors AB and CD, this baseline vector. Is used to calculate the pitch angle θ (S314). In this case, it is possible to calculate the pitch angle θ from the above (Equation 8) with Δ 1 or Δ 2 being 0 ° and 180 °.
基線ベクトルが2個の場合(S312:N=2)、当該2個の基線ベクトルが船首方向に直交するかどうかを検出する。2個の基線ベクトルが船首方向に直交していると(S315:YES)、すなわち、図3のアンテナ配置の場合、確定している基線ベクトルが基線ベクトルBC,DAのいずれかであれば、ピッチ角θの算出は不能と判断する(S317)。一方、2個の基線ベクトルが船首方向に直交していなければ(S315:NO)、当該2個の基線ベクトルを組にして、上述の(式8)を用いてピッチ角θを算出する(S316)。 When there are two baseline vectors (S312: N = 2), it is detected whether the two baseline vectors are orthogonal to the bow direction. If the two baseline vectors are orthogonal to the bow direction (S315: YES), that is, in the case of the antenna arrangement of FIG. 3, if the determined baseline vector is one of the baseline vectors BC and DA, the pitch It is determined that the angle θ cannot be calculated (S317). On the other hand, if the two baseline vectors are not orthogonal to the bow direction (S315: NO), the pitch angle θ is calculated using the above-described (Equation 8) by combining the two baseline vectors (S316). ).
基線ベクトルが3個以上の場合(S312:N≧3)、確定している複数の基線ベクトルから2個の基線ベクトルを選択し、当該2個の基線ベクトルから上述の(式8)を用いてピッチ角θを算出する(S316)。 When there are three or more baseline vectors (S312: N ≧ 3), two baseline vectors are selected from a plurality of established baseline vectors, and the above-described (Equation 8) is used from the two baseline vectors. The pitch angle θ is calculated (S316).
(ロール角φの算出方法)
図7は、ロール角φの算出フローを示すフローチャートである。
(Calculation method of roll angle φ)
FIG. 7 is a flowchart showing a calculation flow of the roll angle φ.
まず、代表ピッチ角θhが使用可能か判断し、代表ピッチ角θhが使用可能でなければ(S321:NO)、船首方向に直交する基線ベクトルがあるか検出する。船首方向に直交する基線ベクトルが無ければ(S322:NO)、ロール角φの算出は不能と判断する(S328)。船首方向に直交する基線ベクトルが有れば(S322:YES)、当該基線ベクトルを用いてロール角φを算出する(S323)。なお、この場合のロール角φの算出方法は、基線ベクトルのb3方向の動きがロール角φに対応するので、これを利用してロール角φを算出すればよい。 First, it is determined whether the representative pitch angle theta h are available, unless a representative pitch angle theta h is available (S321: NO), to detect whether there is a baseline vector perpendicular to the bow direction. If there is no baseline vector orthogonal to the bow direction (S322: NO), it is determined that the roll angle φ cannot be calculated (S328). If there is a baseline vector orthogonal to the bow direction (S322: YES), the roll angle φ is calculated using the baseline vector (S323). In this case, the roll angle φ is calculated using the b3 direction motion of the base line vector corresponding to the roll angle φ.
代表ピッチ角θhが使用可能であれば(S321:YES)、基線ベクトルの個数Nを取得する。 Representative pitch angle theta h if one is available (S321: YES), obtains the number N of the baseline vector.
基線ベクトルが1個の場合(S324:N=1)、当該基線ベクトルが船首方向すなわちb1軸方向と平行であるかを検出する。基線ベクトルが船首方向と平行であれば(S326:YES)、すなわち、図3のアンテナ配置の場合、確定している基線ベクトルが基線ベクトルAB,CDのいずれかであれば、ロール角φの算出は不能と判断する(S328)。当該基線ベクトルが船首方向と平行でなければ(S326:NO)、当該基線ベクトルと代表ピッチ角θhとを組にして、上述の(式7)を用いてロール角φを算出する(S327)。 When there is one baseline vector (S324: N = 1), it is detected whether the baseline vector is parallel to the bow direction, that is, the b1 axis direction. If the base line vector is parallel to the bow direction (S326: YES), that is, in the case of the antenna arrangement of FIG. 3, if the determined base line vector is one of the base line vectors AB and CD, the roll angle φ is calculated. Is determined to be impossible (S328). If the baseline vector is not parallel to the bow direction (S326: NO), and the baseline vector and representative pitch angle theta h in the set, to calculate the roll angle φ using the above (Formula 7) (S327) .
基線ベクトルが2個の場合(S324:N=2)、当該2個の基線ベクトルが船首方向に平行であるかを検出する。2個の基線ベクトルが船首方向に平行であれば(S325:YES)、すなわち、図3のアンテナ配置の場合、確定している基線ベクトルが基線ベクトルBC,DAであれば、ロール角φの算出は不能と判断する(S328)。一方、2個の基線ベクトルが船首方向に直交していなければ(S325:NO)、当該2個の基線ベクトルのいずれかを選択し、選択した基線ベクトルと代表ピッチ角θhとを組にして、上述の(式7)を用いてロール角φを算出する(S327)。 When there are two baseline vectors (S324: N = 2), it is detected whether the two baseline vectors are parallel to the bow direction. If the two baseline vectors are parallel to the bow direction (S325: YES), that is, in the case of the antenna arrangement of FIG. 3, if the determined baseline vectors are the baseline vectors BC and DA, the roll angle φ is calculated. Is determined to be impossible (S328). On the other hand, if the two baseline vector has not orthogonal to the bow direction (S325: NO), you select one of the two baseline vector, and a set with selected baseline vector and representative pitch angle theta h Then, the roll angle φ is calculated using (Equation 7) described above (S327).
基線ベクトルが3個以上の場合(S324:N≧3)、確定している複数の基線ベクトルから1個の基線ベクトルを選択し、当該基線ベクトルと代表ピッチ角θhとを組にして、上述の(式7)を用いてロール角φを算出する(S327)。 If baseline vector is 3 or more (S324: N ≧ 3), select one baseline vector from a plurality of baseline vector has been finalized, and the representative pitch angle theta h with the baseline vector pair, above The roll angle φ is calculated using (Equation 7) (S327).
(ヨー角ψの算出方法)
図8は、ヨー角ψの算出フローを示すフローチャートである。
(Calculation method of yaw angle ψ)
FIG. 8 is a flowchart showing a calculation flow of the yaw angle ψ.
まず、代表ピッチ角θhが使用可能か判断し、代表ピッチ角θhが使用可能でなければ(S331:NO)、ヨー角ψの算出は不能と判断する(S336)。 First, it is determined whether the representative pitch angle theta h are available, unless a representative pitch angle theta h is available (S331: NO), the calculation of the yaw angle ψ is determined impossible (S336).
代表ピッチ角θhが使用可能であれば(S321:YES)、代表ロール角φhが使用可能か判断する。代表ロール角φhが使用可能でなければ(S332:NO)、船首方向に平行な基線ベクトルがあるか検出する。船首方向に平行な基線ベクトルが無ければ(S334:NO)、ヨー角ψの算出は不能と判断する(S336)。船首方向に平行な基線ベクトルがあれば(S334:YES)、当該基線ベクトルと代表ピッチ角θhとを用いて、ヨー角ψを算出する(S335)。なお、この場合のヨー角ψの算出方法は、基線ベクトルのb2方向の動きがヨー角ψに対応するので、これを利用してヨー角ψを算出すればよい。 Representative pitch angle theta h if one is available (S321: YES), the representative roll angle phi h determines whether available. If possible representative roll angle phi h is used (S332: NO), to detect whether there is the baseline vector parallel to the fore direction. If there is no baseline vector parallel to the bow direction (S334: NO), it is determined that the yaw angle ψ cannot be calculated (S336). If there is a baseline vector parallel to the fore direction (S334: YES), using with the baseline vector and representative pitch angle theta h, it calculates the yaw angle [psi (S335). In this case, the yaw angle ψ can be calculated by calculating the yaw angle ψ using the yaw angle ψ since the movement of the baseline vector in the b2 direction corresponds to the yaw angle ψ.
代表ロール角φhが使用可能であれば(S332)、代表ピッチ角θhおよび代表ロール角φhと基線ベクトルとを組にして、上述の(式9)を用いてヨー角ψを算出する(S333)。 If the representative roll angle φ h is usable (S332), the representative pitch angle θ h, the representative roll angle φ h, and the base line vector are combined to calculate the yaw angle ψ using the above-described (Equation 9). (S333).
このような構成および処理を採用することで、アンテナ配置によっては、より少ない基線ベクトルで、姿勢角を算出することができる。 By adopting such a configuration and processing, depending on the antenna arrangement, the posture angle can be calculated with fewer baseline vectors.
次に、本発明の第2の実施形態に係る状態算出装置について、図を参照して説明する。図9は、本発明の第2の実施形態に係る状態算出装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の状態算出装置10Aは、概略的には、姿勢角だけでなく、位置(位置座標)および速度も算出する点で、第1の実施形態の状態算出装置10と異なる。
Next, a state calculation apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a state calculation apparatus according to the second embodiment of the present invention. The
演算部12Aは、姿勢角演算部121、速度演算部122、および位置演算部123を備える。姿勢角演算部121は、第1の実施形態に係る演算部12と同じ構成で同じ処理を行っている。
The
速度演算部122は、搬送波位相測定値ADRAからアンテナ100Aの位置での速度を算出する。速度演算部122は、搬送波位相測定値ADRBからアンテナ100Bの位置での速度を算出する。速度演算部122は、搬送波位相測定値ADRCからアンテナ100Cの位置での速度を算出する。速度演算部122は、搬送波位相測定値ADRDからアンテナ100Dの位置での速度を算出する。
The
速度演算部122は、アンテナ100A,100B,100C,100Dの速度から、船舶900の速度を算出する。速度演算部122では、各アンテナ100A,100B,100C,100Dの位置に限らず、例えば、船舶900の船首位置等、船舶900の特定位置の速度を算出することができる。
The
速度演算部122は、次に、フローを用いて速度を算出する。図10は、本発明の第2の実施形態に係る速度算出フローを示すフローチャートである。
Next, the
まず、速度演算部122は、搬送波位相測定値が算出されている各アンテナ位置での速度を算出する(S401)。速度演算部122は、搬送波位相測定値の時間変化量から速度を算出する。
First, the
速度演算部122は、姿勢角[θh,φh,ψh]の時間変化量から、各アンテナ位置での角速度を算出する(S402)。
The
速度算出部122は、算出した角速度を用いて、各アンテナ位置での速度算出用補正値(レバーアーム補正値)を算出する(S403)。速度算出用補正値(レバーアーム補正値)とは、レバーアーム効果による角速度が速度に与える影響を抑圧する補正値である。レバーアーム効果とは、船舶900に角速度が加わると、重心Pa以外の位置では、観測される速度に角速度の影響が含まれることである。
The
速度演算部122は、速度算出用補正値を用いて各アンテナ位置の速度を補正する(S404)。
The
速度演算部122は、各アンテナ位置の補正後の速度を用いて、所望位置の速度を算出する。この際、速度演算部122は、各アンテナ位置と所望位置との距離に基づく幾何学的平均値によって、所望位置(例えば、船舶900の重心Pa位置や船首位置等)の速度を算出する(S405)。
The
そして、上述の姿勢角を用いて角速度を算出しているので、速度算出用補正値を高精度に算出することができる。これにより、レバーアーム効果を高精度に抑圧し、速度を高精度に算出することができる。 Since the angular velocity is calculated using the attitude angle described above, the velocity calculation correction value can be calculated with high accuracy. Thereby, the lever arm effect can be suppressed with high accuracy, and the speed can be calculated with high accuracy.
速度演算部122は、次の方法で速度を算出してもよい。図11は、本発明の第2の実施形態に係る別の速度算出フローを示すフローチャートである。
The
速度演算部122は、搬送波位相測定値が算出されている各アンテナ位置での速度を算出する(S411)。速度演算部122は、搬送波位相測定値の時間変化量から速度を算出する。
The
速度演算部122は、各アンテナ位置の速度を用いて、所望位置の速度を算出する。この際、速度演算部122は、各アンテナ位置と所望位置との距離に基づく幾何学的平均値によって、所望位置の速度を算出する(S412)。
The
速度演算部122は、姿勢角[θh,φh,ψh]の時間変化量から、各アンテナ位置での角速度を算出する(S413)。速度算出部122は、算出した角速度を用いて、所望位置での速度算出用補正値(レバーアーム補正値)を算出する(S414)。なお、これらの処理は、上述の速度算出処理と平行に行ってもよく、速度算出処理よりも前に行ってもよい。
The
速度演算部122は、所望位置に対する速度算出用補正値を用いて、所望位置の速度を補正する(S415)。
The
このような方法であっても、上述の姿勢角を用いて角速度を算出しているので、速度算出用補正値を高精度に算出することができる。これにより、レバーアーム効果を高精度に抑圧し、速度を高精度に算出することができる。 Even with such a method, since the angular velocity is calculated using the above-described attitude angle, the velocity calculation correction value can be calculated with high accuracy. Thereby, the lever arm effect can be suppressed with high accuracy, and the speed can be calculated with high accuracy.
なお、上述の説明では、搬送波位相測定値を算出しているアンテナが変化しない場合を示したが、測位信号の受信状態によっては、搬送波位相測定値を算出できないアンテナが存在する場合もある。 In the above description, the case where the antenna that calculates the carrier phase measurement value does not change is shown. However, depending on the reception state of the positioning signal, there may be an antenna that cannot calculate the carrier phase measurement value.
この場合、幾何学的平均値が算出される位置が、所望位置と異なる場合が生じる。図12は、幾何学的平均値の算出位置と所望位置のズレの様子および補正の概念を表す図である。図12では、複数のアンテナ100A,100B,100C,100Dの配置中心位置Oを所望位置とする場合を示している。
In this case, the position where the geometric average value is calculated may be different from the desired position. FIG. 12 is a diagram showing a shift between the calculated position of the geometric mean value and the desired position and the concept of correction. FIG. 12 shows a case where the arrangement center position O of the plurality of
図12(A)に示すように、全てのアンテナ100A,100B,100C,100Dの位置での搬送波位相測定値が算出できている状況では、全てのアンテナ100A,100B,100C,100Dの位置での速度の幾何学的平均値が、配置中心位置O(所望位置)の速度となる。
As shown in FIG. 12A, in the situation where the carrier phase measurement values at the positions of all
図12(B)に示すように、アンテナ100Dの位置での搬送波位相測定値が算出できない状態では、当該アンテナ100Dの位置での搬送波位相測定値を、所望位置の速度算出に利用することはできない。したがって、幾何学的平均値は、アンテナ100A,100B,100Cの幾何学的平均位置O’の値となり、配置中心位置Oとは異なる位置の値となる。
As shown in FIG. 12B, in a state where the carrier phase measurement value at the position of the
この場合、アンテナ100A,100B,100C,100Dの位置関係は既知であるので、全てのアンテナ100A,100B,100C,100Dの幾何学的平均位置(配置中心位置O)と、それぞれ少なくとも2つのアンテナの組合せの幾何学的平均位置との位置誤差を予め記憶しておく。そして、この位置誤差を補正する補正値を設定しておく。この際、速度算出用補正値(レバーアーム補正値)の変化分も考慮した補正値を設定する。
In this case, since the positional relationship between the
所望位置である配置中心位置Oの速度を算出する場合には、搬送波位相測定値を算出しているアンテナを検出し、アンテナの組合せに応じて速度の幾何学的平均値を補正すればよい。 When calculating the speed of the arrangement center position O, which is a desired position, the antenna for which the carrier phase measurement value is calculated may be detected, and the geometric average value of the speed may be corrected according to the combination of antennas.
なお、ここでは、全てのアンテナ100A,100B,100C,100Dの配置中心位置Oを、基準となる所望位置に設定する例を示したが、他の位置であっても、同様の概念を用いて補正すれば、所望位置の速度を正確に補正することができる。
Here, an example in which the arrangement center position O of all the
位置演算部123は、擬似距離PRAもしくは搬送波位相測定値ADRAからアンテナ100Aの位置座標を算出する。位置演算部123は、擬似距離PRBもしくは搬送波位相測定値ADRBからアンテナ100Bの位置座標を算出する。位置演算部123は、擬似距離PRCもしくは搬送波位相測定値ADRCからアンテナ100Cの位置座標を算出する。位置演算部123は、擬似距離PRDもしくは搬送波位相測定値ADRDからアンテナ100Dの位置座標を算出する。
The
位置演算部123は、アンテナ100A,100B,100C,100Dの位置座標から、所望位置の位置座標を算出する。所望位置とは、例えば、配置中心位置Oや、船舶900の船首位置等である。
The
位置演算部123は、次に、フローを用いて速度を算出する。図13は、本発明の第2の実施形態に係る位置算出フローを示すフローチャートである。
Next, the
まず、位置演算部123は、擬似距離もしくは搬送波位相測定値が算出されている各アンテナ位置の位置座標を算出する(S501)。位置座標の算出方法は既知であり、具体的な方法は省略するが、擬似距離を用いる場合には搬送波位相測定値を用いる場合よりも位置座標の算出初期から速く位置座標を算出でき、搬送波位相測定値を用いる場合には擬似距離を用いる場合よりも位置座標を高精度に算出することができる。
First, the
位置演算部123は、上述のように複数の基線ベクトルから算出した姿勢角[θh,φh,ψh]を用いて、各アンテナ位置の位置算出用補正値を算出する(S502)。
The
位置演算部123は、位置算出用補正値を用いて各アンテナ位置の位置座標を補正する(S503)。
The
位置演算部123は、各アンテナ位置の補正後の位置座標を用いて、所望位置の位置座標を算出する。この際、位置演算部123は、各アンテナ位置と所望位置との距離に基づく幾何学的平均値によって、所望位置の位置座標を算出する(S504)。
The
そして、上述の姿勢角を用いていることで、位置算出用補正値を高精度に算出することができる。これにより、揺動による位置算出誤差を高精度に抑圧し、所望位置の位置座標を高精度に算出することができる。 And by using the above-mentioned attitude angle, the position calculation correction value can be calculated with high accuracy. As a result, the position calculation error due to the swing can be suppressed with high accuracy, and the position coordinates of the desired position can be calculated with high accuracy.
位置演算部123は、次の方法で速度を算出してもよい。図14は、本発明の第2の実施形態に係る別の位置算出フローを示すフローチャートである。
The
まず、位置演算部123は、擬似距離もしくは搬送波位相測定値が算出されている各アンテナ位置の位置座標を算出する(S511)。
First, the
位置演算部123は、各アンテナ位置と所望位置との距離に基づく幾何学的平均値によって、所望位置の位置座標を算出する(S512)。
The
位置演算部123は、上述のように複数の基線ベクトルから算出した姿勢角[θh,φh,ψh]を用いて、所望位置の位置算出用補正値を算出する(S513)。
The
位置演算部123は、所望位置用の位置算出用補正値を用いて所望位置の位置座標を補正する(S514)。
The
このような方法であっても、上述の姿勢角を用いているので、位置算出用補正値を高精度に算出することができる。これにより、揺動による位置算出誤差を高精度に抑圧し、所望位置の位置座標を高精度に算出することができる。 Even in such a method, since the posture angle is used, the position calculation correction value can be calculated with high accuracy. As a result, the position calculation error due to the swing can be suppressed with high accuracy, and the position coordinates of the desired position can be calculated with high accuracy.
なお、位置算出の場合も、上述の速度算出と同様に、図12に示す補正、すなわち、搬送波位相測定値を算出できているアンテナの組合せによる補正を、適用することができる。 In the case of position calculation as well, the correction shown in FIG. 12, that is, the correction based on the combination of antennas capable of calculating the carrier phase measurement value, can be applied as in the above-described velocity calculation.
以上に示した状態算出装置、状態算出方法、状態算出プログラムは、船舶900等の移動体に装着して利用することができる。図15は、本実施形態に係る状態算出装置を装着した船舶の概略構成図である。なお、ここでは、移動体として船舶900を例に説明するが、他の水上移動体、水中移動体、飛行機等の空中移動体、自動車等の陸上移動体にも、本実施形態の構成を適用することができる。
The state calculation device, the state calculation method, and the state calculation program described above can be used by being mounted on a moving body such as the
船舶900は、状態算出装置10A、制御部901、動力902、舵903を備える。状態算出装置10Aは、上述の方法を用いて、位置[PN,PE,PD]、速度[VN,VE,VD]、姿勢角[φh,θh,ψh]を算出して出力する。
The
制御部901は、位置[PN,PE,PD]、速度[VN,VE,VD]、姿勢角[φh,θh,ψh]を用いて、航行制御処理を実行する。例えば、制御部901は、現在の自船位置と目的位置とから最も効率的な航行ルートを推定する自動航行制御を行ったり、自船位置の変化から定点位置に止まるための定点保持制御を行ったりする。
The
制御部901は、設定した制御内容に基づいて、動力902および舵903に制御信号を発生する。動力902および舵903は、制御信号に基づいて動作する。
The
このような構成では、上述のように、姿勢角、位置、速度が高精度に算出されるので、各種制御を高精度に実現することができる。例えば、自動航行制御であれば、最適な航行ルートで船舶900を自動航行させることができる。また、定点保持制御であれば、高精度に定点保持を行うことができる。
In such a configuration, as described above, since the attitude angle, position, and speed are calculated with high accuracy, various controls can be realized with high accuracy. For example, if it is automatic navigation control, the
なお、上述の説明では、複数のアンテナを、等方性を持って配置する例を示したが、次に示す配置パターンを用いてもよい。図16、図17、図18は、複数のアンテナの派生配置パターンを示す図である。 In the above description, an example in which a plurality of antennas are arranged with isotropy has been shown, but the following arrangement pattern may be used. 16, FIG. 17, and FIG. 18 are diagrams showing a derived arrangement pattern of a plurality of antennas.
図16に示すアンテナ装置101は、3つのアンテナ100A,100B,100Cを備える。アンテナ100Aは、アンテナ100B,100Cよりも船首方向に離間して配置されている。アンテナ100B,100Cは、船首方向に直交する方向に沿って配置されている。アンテナ100Bの位置とアンテナ100Cの位置を結ぶ垂直二等分線上に、アンテナ100Aが配置されている。アンテナ100Bの位置とアンテナ100Cの位置との距離は、アンテナ100Bの位置とアンテナ100Cの位置との中点とアンテナ100Aの位置との距離と比較して短い。
The
このようなアンテナ配置を用いることで、アンテナ100A,100Bからなる基線ベクトルおよびアンテナ100C,100Aからなる基線ベクトルは、船首方向に長い基線ベクトルとなる。したがって、船首方向の成分が長い基線ベクトルを複数確保できるので、ピッチ角θおよびヨー角ψを高精度に算出することができる。
By using such an antenna arrangement, the baseline vector composed of the
図17に示すアンテナ装置102は、4つのアンテナ100A,100B,100C,100Dを備える。アンテナ100Aとアンテナ100Cは、船首方向に沿って配置されている。アンテナ100Bとアンテナ100Dは、船首方向に直交する方向に沿って配置されている。アンテナ100Aの位置とアンテナ100Cの位置との距離は、アンテナ100Bの位置とアンテナ100Dの位置との距離と比較して大幅に長い。アンテナ100Aの位置とアンテナ100Cの位置との中点と、アンテナ100Bの位置とアンテナ100Bの位置との中点は、一致している。このように、アンテナ装置102は、船首方向に平行な対角線が長く、船首方向に直交する対角線が短い菱形形状で、アンテナ100A,100B,100C,100Dが配置されている。
The
このようなアンテナ配置を用いることで、船首方向の成分が長い基線ベクトル数をさらに多くできる。これにより、ピッチ角θおよびヨー角ψをさらに高精度に算出することができる。 By using such an antenna arrangement, the number of baseline vectors having a long bow direction component can be further increased. Thereby, the pitch angle θ and the yaw angle ψ can be calculated with higher accuracy.
図18に示すアンテナ装置103は、図16に示したアンテナ装置101に対して、さらにアンテナ100D,100Eを追加したものである。アンテナ100D,100Eは、アンテナ100Bの位置とアンテナ100Cの位置を結ぶ垂直二等分線上に配置されている。アンテナ100D,100Eは、アンテナ100Aの位置とアンテナ100Cの位置との中点と、アンテナ100Aの位置との間に配置されている。すなわち、アンテナ100A,100D,100Eは、船首方向に沿って間隔を空けて配置されている。
An
このようなアンテナ配置を用いることで、船首方向の成分が長い基線ベクトル数をさらに多くできる。これにより、ピッチ角θおよびヨー角ψをさらに高精度に算出することができる。 By using such an antenna arrangement, the number of baseline vectors having a long bow direction component can be further increased. Thereby, the pitch angle θ and the yaw angle ψ can be calculated with higher accuracy.
なお、図16、図18に示すアンテナ配置は、ヘディング方向に直交する面を基準面として面対称の配置であってもよい。 Note that the antenna arrangements shown in FIGS. 16 and 18 may be plane-symmetrical with respect to a plane orthogonal to the heading direction.
また、アンテナの配置パターンはこれらの例に限るものではなく、特定の姿勢角成分を高精度で算出したい場合には、当該特定の姿勢角成分を含む二平面に共有する軸方向に沿って長いベクトル成分を有する基線ベクトルを構成するように、複数のアンテナを配置すればよい。 Further, the antenna arrangement pattern is not limited to these examples. When a specific posture angle component is to be calculated with high accuracy, the antenna arrangement pattern is long along the axial direction shared by two planes including the specific posture angle component. A plurality of antennas may be arranged so as to constitute a baseline vector having a vector component.
また、上述の説明では、姿勢角の各成分であるピッチ角θ、ロール角φ、およびヨー角ψを基線ベクトルから算出する例を示した。しかしながら、測位信号を用いた姿勢角算出部(もしくは測位部)とIMU(Inertial Measurement Unit(慣性計測装置))とを統合した統合システムの場合、次の方法でヨー角を算出してもよい。ピッチ角θとロール角φは、慣性センサで計測する。演算部は、慣性センサで計測したピッチ角θおよびロール角φと、測位信号に基づく基線ベクトルを用いて、ヨー角を算出する。また、ピッチ角θのみを慣性センサで計測し、ロール角φとヨー角ψを、慣性センサで計測したピッチ角θと基線ベクトルから、順次算出してもよい。 In the above description, the example in which the pitch angle θ, the roll angle φ, and the yaw angle ψ, which are components of the posture angle, are calculated from the baseline vector has been shown. However, in the case of an integrated system in which an attitude angle calculation unit (or positioning unit) using a positioning signal and an IMU (Internal Measurement Unit) are integrated, the yaw angle may be calculated by the following method. The pitch angle θ and the roll angle φ are measured with an inertial sensor. The calculation unit calculates the yaw angle using the pitch angle θ and the roll angle φ measured by the inertial sensor and the baseline vector based on the positioning signal. Alternatively, only the pitch angle θ may be measured by the inertial sensor, and the roll angle φ and the yaw angle ψ may be sequentially calculated from the pitch angle θ and the baseline vector measured by the inertial sensor.
また、上述の説明では、各アンテナ間の距離すなわち基線長と測位信号の波長との関係を具体的に示していないが、最短の基線長が測位信号の半波長以下であると、本発明の構成がより有効に作用する。 In the above description, the distance between the antennas, that is, the relationship between the baseline length and the wavelength of the positioning signal is not specifically shown. However, if the shortest baseline length is equal to or less than a half wavelength of the positioning signal, The configuration works more effectively.
具体的には、基線長が半波長以下のときは、整数値バイアスの決定が容易になるものの、基線長が短いため、基線ベクトルの算出精度は低い。これにより、算出する姿勢角の精度が低くなるため、姿勢角検出センサとしての精度が不足してしまう。 Specifically, when the base line length is equal to or shorter than a half wavelength, the integer value bias can be easily determined, but the base line length is short, so the base line vector calculation accuracy is low. As a result, the accuracy of the calculated posture angle is lowered, and the accuracy as the posture angle detection sensor is insufficient.
しかしながら、本発明の構成および処理を用いた場合、複数の基線ベクトルを用いて姿勢角を算出するので、どのような基線長であっても姿勢角の精度を向上させることができる。したがって、基線長が半波長以下となるアンテナ配置でも高精度に姿勢角を算出することができる。このように基線長が測位信号の半波長以下に収まることで、整数値バイアスの決定が容易になり、高精度な姿勢角が高速に得られるようになる。また、アンテナの間隔を短くでき、アンテナ装置を小型に構成することができる。 However, when the configuration and processing of the present invention are used, the posture angle is calculated using a plurality of baseline vectors, so that the accuracy of the posture angle can be improved regardless of the baseline length. Therefore, the attitude angle can be calculated with high accuracy even in an antenna arrangement in which the base line length is equal to or less than a half wavelength. Thus, since the base line length falls within the half wavelength of the positioning signal, the integer value bias can be easily determined, and a highly accurate attitude angle can be obtained at high speed. In addition, the distance between the antennas can be shortened, and the antenna device can be configured to be small.
10,10A:状態算出装置
111A,111B,111C,111D:相関処理部
112A,112B,112C,112D:ADR算出部
12,12A:演算部
120:基線ベクトル算出部
121:姿勢角演算部
122:速度演算部
123:位置演算部
100,101,102,103:アンテナ装置
100A,100B,100C,100D,100E:アンテナ
900:船舶
901:制御部
902:動力
903:舵
10, 10A:
Claims (23)
前記測位信号と該測位信号のレプリカ信号との相関処理に基づき搬送波位相差をそれぞれのアンテナ毎に算出する相関処理部と、
前記搬送波位相差の積算値である搬送波位相測定値を算出する搬送波位相測定値算出部と、
前記搬送波位相測定値に基づいて複数の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出部と、
前記基線ベクトル毎にヨー角を算出し、該算出した複数のヨー角に基づいて、代表ヨー角を算出する姿勢角算出部と、
を備えた、状態算出装置。 Three or more antennas which are arranged at different positions on the mobile body and each receive a positioning signal;
A correlation processing unit that calculates a carrier phase difference for each antenna based on a correlation process between the positioning signal and a replica signal of the positioning signal;
A carrier phase measurement value calculation unit that calculates a carrier phase measurement value that is an integrated value of the carrier phase difference; and
A baseline vector calculation unit that calculates a plurality of baseline vectors based on the carrier phase measurement values;
A posture angle calculation unit that calculates a yaw angle for each baseline vector and calculates a representative yaw angle based on the calculated plurality of yaw angles;
A state calculation device.
前記姿勢角算出部は、
前記基線ベクトル毎に代表ピッチ角および代表ロール角から前記ヨー角を算出する、
状態算出装置。 The state calculation device according to claim 1,
The posture angle calculation unit
Calculating the yaw angle from a representative pitch angle and a representative roll angle for each baseline vector;
State calculation device.
前記姿勢角算出部は、
前記基線ベクトル毎に前記代表ピッチ角から前記ロール角を算出し、該算出した複数のロール角から代表ロール角を算出する、
状態算出装置。 The state calculation device according to claim 2,
The posture angle calculation unit
Calculating the roll angle from the representative pitch angle for each baseline vector, and calculating the representative roll angle from the calculated plurality of roll angles;
State calculation device.
前記姿勢角算出部は、
前記複数の基線ベクトルのうちの2つずつを組として、組毎にピッチ角を算出し、算出した複数のピッチ角から前記代表ピッチ角を算出する、
状態算出装置。 The state calculation device according to claim 3,
The posture angle calculation unit
Taking two of the plurality of baseline vectors as a set, calculating a pitch angle for each set, and calculating the representative pitch angle from the calculated plurality of pitch angles;
State calculation device.
前記3つ以上のアンテナは、
前記複数の基線ベクトルの少なくとも1つが前記移動体のヘディング方向に平行になるように配置されている、
状態算出装置。 The state calculation device according to any one of claims 1 to 4,
The three or more antennas are
Arranged such that at least one of the plurality of baseline vectors is parallel to a heading direction of the movable body,
State calculation device.
前記ヘディング方向に平行な基線ベクトルは、前記複数の基線ベクトルのうちの基線長が短い基線ベクトルである、
状態算出装置。 The state calculation device according to claim 5,
The baseline vector parallel to the heading direction is a baseline vector having a short baseline length among the plurality of baseline vectors.
State calculation device.
前記3つ以上のアンテナは、
該3つ以上のアンテナの配置位置の中心点から各アンテナまでの距離が同じとなるように、前記移動体上に配置されている、
状態算出装置。 The state calculation device according to any one of claims 1 to 6,
The three or more antennas are
The three or more antennas are arranged on the moving body so that the distance from the center point of the arrangement position of each of the antennas to each antenna is the same
State calculation device.
前記複数の基線ベクトルのうちの最短の基線ベクトルの基線長は、前記測位信号の半波長以下である、
状態算出装置。 The state calculation device according to any one of claims 1 to 7,
The baseline length of the shortest baseline vector among the plurality of baseline vectors is equal to or less than a half wavelength of the positioning signal.
State calculation device.
前記姿勢角とともに、前記複数の測位信号に対する前記相関処理の結果を用いて、前記移動体の特定位置の座標を算出する位置算出部を、さらに備え、
該位置算出部は、
前記特定位置の座標算出時に、前記姿勢角による補正を行う、
状態算出装置。 The state calculation device according to any one of claims 1 to 8,
A position calculation unit that calculates the coordinates of the specific position of the moving body using the result of the correlation processing for the plurality of positioning signals together with the posture angle,
The position calculation unit
When the coordinates of the specific position are calculated, the posture angle is corrected.
State calculation device.
前記姿勢角とともに、前記複数の測位信号に対する前記相関処理の結果を用いて、前記移動体の特定位置の速度を算出する速度算出部を、さらに備え、
該速度算出部は、
前記特定位置の速度算出時に、前記姿勢角による補正を行う、
状態算出装置。 A state calculation device according to any one of claims 1 to 9,
A speed calculating unit that calculates the speed of the specific position of the moving body using the result of the correlation processing for the plurality of positioning signals together with the posture angle,
The speed calculation unit
When calculating the speed of the specific position, correction by the posture angle is performed.
State calculation device.
前記状態算出装置が出力する前記姿勢角を用いて移動制御を行う制御部と、
を備える移動体。 A state calculation device according to any one of claims 1 to 10,
A control unit that performs movement control using the posture angle output by the state calculation device;
A moving object comprising:
前記測位信号と該測位信号のレプリカ信号との相関処理に基づき搬送波位相差をそれぞれの前記位置毎に算出し、該搬送波位相差の積算値である搬送波位相測定値を算出する搬送波位相測定値算出工程と、
前記搬送波位相測定値に基づいて複数の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出工程と、
前記基線ベクトル毎にヨー角を算出し、算出した複数のヨー角に基づいて、代表ヨー角を算出する姿勢角算出工程と、
を有する、状態算出方法。 A receiving step of receiving three or more positioning signals at different positions on the moving body;
Carrier phase measurement value calculation that calculates a carrier phase difference for each of the positions based on correlation processing between the positioning signal and a replica signal of the positioning signal, and calculates a carrier phase measurement value that is an integrated value of the carrier phase difference Process,
A baseline vector calculating step of calculating a plurality of baseline vectors based on the carrier phase measurement values;
A posture angle calculating step of calculating a yaw angle for each baseline vector and calculating a representative yaw angle based on the calculated plurality of yaw angles;
A state calculation method.
前記姿勢角算出工程は、
前記基線ベクトル毎に代表ピッチ角および代表ロール角から前記ヨー角を算出する、
状態算出方法。 The state calculation method according to claim 12,
The posture angle calculation step includes:
Calculating the yaw angle from a representative pitch angle and a representative roll angle for each baseline vector;
State calculation method.
前記姿勢角算出工程は、
前記基線ベクトル毎に前記代表ピッチ角から前記ロール角を算出し、該算出した複数のロール角から代表ロール角を算出する、
状態算出方法。 The state calculation method according to claim 13,
The posture angle calculation step includes:
Calculating the roll angle from the representative pitch angle for each baseline vector, and calculating the representative roll angle from the calculated plurality of roll angles;
State calculation method.
前記姿勢角算出工程は、
前記複数の基線ベクトルのうちの2つずつを組として、組毎にピッチ角を算出し、算出した複数のピッチ角から前記代表ピッチ角を算出する、
状態算出方法。 The state calculation method according to claim 14,
The posture angle calculation step includes:
Taking two of the plurality of baseline vectors as a set, calculating a pitch angle for each set, and calculating the representative pitch angle from the calculated plurality of pitch angles;
State calculation method.
前記姿勢角とともに、前記複数の測位信号に対する前記相関処理の結果を用いて、前記移動体の特定位置の座標を算出する位置算出工程を、さらに有し、
該位置算出工程は、
前記特定位置の座標算出時に、前記姿勢角による補正を行う、
状態算出方法。 The state calculation method according to any one of claims 12 to 15,
A position calculation step of calculating coordinates of a specific position of the moving body using the result of the correlation processing for the plurality of positioning signals together with the posture angle,
The position calculating step includes
When the coordinates of the specific position are calculated, the posture angle is corrected.
State calculation method.
前記姿勢角とともに、前記複数の測位信号に対する前記相関処理の結果を用いて、前記移動体の特定位置の速度を算出する速度算出工程を、さらに有し、
該速度算出工程は、
前記特定位置の速度算出時に、前記姿勢角による補正を行う、
状態算出方法。 The state calculation method according to any one of claims 12 to 16,
A speed calculating step of calculating a speed of a specific position of the moving body using the result of the correlation processing with respect to the plurality of positioning signals together with the posture angle,
The speed calculation step includes
When calculating the speed of the specific position, correction by the posture angle is performed.
State calculation method.
前記コンピュータは、
移動体上の異なる位置でそれぞれ受信した3つ以上の測位信号と該測位信号のレプリカ信号との相関処理に基づきそれぞれの前記位置毎に搬送波位相差を算出し、該搬送波位相差の積算値である搬送波位相測定値を算出する搬送波位相測定値算出処理と、
各位置に対する搬送波位相測定値から複数の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出処理と、
基線ベクトル毎にヨー角を算出し、算出した複数のヨー角に基づいて、代表ヨー角を算出する姿勢角算出処理と、
を実行する、状態算出プログラム。 A state calculation program for causing a computer to execute a process of calculating a navigation state of a moving object,
The computer
Based on correlation processing between three or more positioning signals received at different positions on the moving body and replica signals of the positioning signals, a carrier phase difference is calculated for each of the positions, and an integrated value of the carrier phase differences is calculated. A carrier phase measurement value calculation process for calculating a certain carrier phase measurement value;
Baseline vector calculation processing for calculating a plurality of baseline vectors from carrier phase measurement values for each position;
A posture angle calculation process for calculating a yaw angle for each baseline vector and calculating a representative yaw angle based on the calculated plurality of yaw angles;
A state calculation program that executes
前記コンピュータは、
前記姿勢角算出処理として、
前記基線ベクトル毎に代表ピッチ角および代表ロール角から前記ヨー角を算出する、
状態算出プログラム。 The state calculation program according to claim 18,
The computer
As the posture angle calculation process,
Calculating the yaw angle from a representative pitch angle and a representative roll angle for each baseline vector;
State calculation program.
前記コンピュータは、
前記姿勢角算出処理として、
前記基線ベクトル毎に前記代表ピッチ角から前記ロール角を算出し、該算出した複数のロール角から代表ロール角を算出する、
状態算出プログラム。 The state calculation program according to claim 19,
The computer
As the posture angle calculation process,
Calculating the roll angle from the representative pitch angle for each baseline vector, and calculating the representative roll angle from the calculated plurality of roll angles;
State calculation program.
前記コンピュータは、
前記姿勢角算出処理として、
前記複数の基線ベクトルのうちの2つずつを組として、組毎にピッチ角を算出し、算出した複数のピッチ角から前記代表ピッチ角を算出する、
状態算出プログラム。 The state calculation program according to claim 20,
The computer
As the posture angle calculation process,
Taking two of the plurality of baseline vectors as a set, calculating a pitch angle for each set, and calculating the representative pitch angle from the calculated plurality of pitch angles;
State calculation program.
前記コンピュータは、
前記姿勢角とともに、前記複数の測位信号に対する前記相関処理の結果を用いて、前記移動体の特定位置の座標を算出する位置算出処理を、さらに実行し、
該位置算出処理による前記特定位置の座標算出時に、前記姿勢角による補正を行う、
状態算出プログラム。 A state calculation program according to any one of claims 18 to 21,
The computer
Using the result of the correlation process for the plurality of positioning signals together with the posture angle, further executing a position calculation process for calculating coordinates of a specific position of the moving body,
When the coordinates of the specific position are calculated by the position calculation process, the posture angle is corrected.
State calculation program.
前記コンピュータは、
前記姿勢角とともに、前記複数の測位信号に対する前記相関処理の結果を用いて、前記移動体の特定位置の速度を算出する速度算出処理を、さらに実行し、
該速度算出処理による前記特定位置の速度算出時に、前記姿勢角による補正を行う、
状態算出プログラム。 A state calculation program according to any one of claims 18 to 22,
The computer
Along with the attitude angle, further using a result of the correlation processing with respect to the plurality of positioning signals, further executing a speed calculation process for calculating a speed of a specific position of the moving body,
When calculating the speed of the specific position by the speed calculation process, the posture angle is corrected.
State calculation program.
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